CN103296431B - 一种负磁导率超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种负磁导率超材料，包括至少两层具有负磁导率的超材料层，所述超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板上的多个人造微结构组成第一人造微结构层，所述超材料还包括一层埋容材料层，所述埋容材料层的两侧面分别设置有多个人造微结构阵列排布的第二人造微结构层，两层所述第二人造微结构层分别与所述超材料层通过半固化片粘结层叠。本发明将埋容材料嵌入超材料，降低了超材料的厚度，增大了超材料的介电常数，大大降低了超材料磁导率为负的谐振频率，具有广阔的发展前景。

Description

一种负磁导率超材料
技术领域
本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种负磁导率超材料。
背景技术
目前，国际社会对磁导率方面已有大量的研究，其中对于正磁导率的研究已经趋于成熟，对于负磁导率超材料的研究是现在国内外研究的热点，负磁导率具有量子极化作用，可以对入射波产生极化作用，因此作用范围很大，如在医学成像领域中的磁共振成像技术，负磁导率材料能够加强电磁波的成像效果，另外负磁导率材料在透镜研究方面亦有重要作用，在工程领域，磁导率通常都是指相对磁导率，为物质的绝对磁导率μ与磁性常数μ0(又称真空磁导率)的比值，μr＝μ/μ0，无量纲值。通常“相对”二字及符号下标r都被省去。磁导率是表示物质受到磁化场H作用时，内部的真磁场相对于H的增加(μ＞1)或减少(μ＜1)的程度。至今发现的自然界已存在的材料中，μ都是大于0的。
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。目前，现有的人造微结构的几何形状为“工”字形或者如图1所示的类似“凹”字形的开口环形，但这些结构都不能实现磁导率μ明显小于0或使超材料的谐振频率显著降低，只有通过设计具有特殊几何图形的人造微结构，配以特殊设计的基板和封装，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率μ值小于0，并具有较低的谐振频率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种特殊设计的超材料，在实现超材料磁导率为负的同时，大大降低超材料的谐振频率。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，提供一种负磁导率超材料，包括至少两层具有负磁导率的超材料层，所述超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板上的多个人造微结构组成第一人造微结构层，所述超材料还包括一埋容材料层，所述埋容材料层的两侧面分别设置有多个人造微结构阵列排布的第二人造微结构层，两层所述第二人造微结构层分别与所述超材料层通过半固化片粘结层叠。
优选地，所述基板为有机高分子基板或陶瓷基板。
优选地，所述人造微结构为开口谐振环结构或开口谐振环衍生结构的磁性微结构。
优选地，所述埋容材料的介质层厚度为0.005-0.020mm。
优选地，所述埋容材料的介电常数为14-20。
优选地，所述埋容材料的介电损耗为0.003-0.009。
优选地，所述半固化片的厚度为0.130-0.145mm。
优选地，所述半固化片的介电常数为7-9。
优选地，所述半固化片的介电损耗为0.0030-0.0050mm。
优选地，所述半固化片为FR-4等级的半固化片。
本发明的有益效果在于，将埋容材料嵌入超材料，降低了超材料的厚度，增大了超材料的介电常数，大大降低了超材料磁导率为负的谐振频率。
附图说明
图1是本发明一优选实施例超材料结构示意图；
图2是本发明又一优选实施例超材料结构示意图；
图3是开口谐振环结构示意图；
图4是本发明一优选实施例超材料人造微结构示意图；
图5是本发明一优选实施例超材料磁导率仿真效果图；
图中，1第一人造微结构层，2第二人造微结构层，3基板，4半固化片，5埋容材料层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种负磁导率超材料，参见图1，本发明一优选实施例超材料结构示意图，由图可知，此实施方式中，包括两层具有负磁导率的超材料层，超材料层包括基板3以及周期性阵列排布在基板3上的多个人造微结构组成第一人造微结构层1，超材料还包括一埋容材料层，埋容材料层的两侧面分别设置有多个人造微结构阵列排布的第二人造微结构层2，两层第二人造微结构层2分别与超材料层通过半固化片4粘结层叠。
制造人造微结构可以采用蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法，本发明采用蚀刻的方法。如图2本发明又一优选实施例超材料结构示意图所示，本发明还可以有另一种实施方式，包括埋容材料层5及阵列排布在埋容材料5两侧面的第二人造微结构层2，两层第二人造微结构层2分别与超材料层通过半固化片4粘结层叠。
第二人造微结构层2和第一人造微结构层1的人造微结构形状可以相同也可以不同，为开口谐振环结构或开口谐振环衍生结构的磁性微结构，开口谐振环结构为如图3所示的结构，开口谐振环衍生结构为一根金属线自一点向外等间距多重绕线而成，可以为如图4所示的矩形或者为三角形、圆形、多边形，多重绕线的结构能增强超材料内部的电磁场响应作用，降低了超材料实现负磁导率的谐振频率。本发明人造微结构为图4所示的结构，其结构参数如下：线宽0.1mm，线间距0.1mm，线宽极限0.1mm，金属线绕线37圈，金属线厚度0.035mm，人造微结构的尺寸为15mm×15mm。人造微结构通常为金属线，如铜线、银线、铜合金，甚至是金线，也可以是由至少两种金属制成的合金，甚至是非金属的导电材料，如导电塑料、ITO(铟锡氧化物)、碳纳米管、石墨等。本发明的人造微结构为铜线。
半固化片又称“PP片”，是多层板生产中的主要材料，主要由树脂和增强材料组成，增强材料分为玻璃纤维布、纸基、复合材料等，本发明中的半固化片4由环氧树脂和玻璃纤维布增强材料组成，是FR-4等级的半固化片。本发明半固化片4的厚度为0.130-0.145mm，半固化片4的介电常数为7-9，半固化片4的介电损耗为0.0030-0.0050mm。本发明优选实施例中半固化片4的厚度是0.139mm，介电常数7.7，介电损耗0.0034。
本发明埋容材料层5包括介质层及覆盖在介质层相对两侧的铜层，介质层厚度为0.005-0.020mm，介质层的介电常数为14-20，介质层介电损耗为0.003-0.009，铜层厚度为0.025-0.035mm。本发明优选实施例的埋容材料选用美国3M公司的埋容材料，其介质层厚度为0.011mm，介电常数为16，介质损耗为0.005，铜层厚度为0.033mm。
本发明的基板3为有机高分子基板或陶瓷基板，例如环氧树脂基板、酚醛树脂基板、脲醛树脂基板等有机高分子基板，也可以使用特殊设计的陶瓷基板，如氮化铝陶瓷基板。本发明优选实施例基板3选用的是环氧树脂基板。
下面将结合附图，对本发明实施例的负磁导率超材料构成原理及有益效果做详细说明。
第一人造微结构层1和第二人造微结构层2的多个人造微结构呈周期性阵列排布，例如矩形阵列排布，即以一x方向为行、以垂直于x方向的y方向为列地排列，且各行间距、各列间距分别相等，甚至行间距等于列间距均可。优选行间距、列间距不大于所要响应的入射电磁波的波长的五分之一，即例如工作环境是波长为λ的电磁波，需要超材料对此电磁波的电磁特性是呈现负磁导率，则设计人造微结构时将上述行间距、列间距选择不大于λ/5，优选为λ/10。显然，为了使人造微结构不互相交叠，每个人造微结构的长度和宽度也不大于λ/5。周期性排布还可以有其他具有循环规律的排布方式，例如基板3为圆形或多边形时，人造微结构沿着圆形或多边形基板的外圆柱面等间距地绕一周。
本发明实现负磁导率的原理为，对于本发明的微结构而言，可以等效为LC震荡电路，整个人造微结构的金属线可以等效为一个极板长度约等于线总长的电容，每两段互相正对金属线相当于电容的极板，金属线长度表征结构可以等效为电感，通过仿真发现，在其他条件不改变的情况下，铜线越长，金属线旋转的圈数越多，则结构的等效电感值、电容值越大。
由LC振荡电路公式可知，当电感值、电容值均增大时，其对应的谐振频率则降低。
另外，本发明超材料为多层结构，增强了降频效果，将埋容材料嵌入超材料中，使超材料的质地更轻薄，介电常数较高，制造工艺简单。
本发明一优选实施例超材料磁导率仿真效果示意图参见图5，由图5可知，本发明超材料的磁导率为-1.583时，其谐振频率为31MHZ，降频效果显著。
本发明将埋容材料嵌入超材料，降低了超材料的厚度，增大了超材料的介电常数，大大降低了超材料磁导率为负时的谐振频率，制造工艺简单，具有广阔的发展前景。
本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (10)

1.一种负磁导率超材料，包括至少两层具有负磁导率的超材料层，所述超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板上的多个人造微结构组成第一人造微结构层，其特征在于，所述超材料还包括一埋容材料层，所述埋容材料层的两侧面分别设置有多个人造微结构阵列排布的第二人造微结构层，两层所述第二人造微结构层分别与所述超材料层通过半固化片粘结层叠；所述第一人造微结构中的任意相邻两个所述人造微结构之间的间距为不大于所要响应的入射电磁波的波长的五分之一，所述第二人造微结构中的任意相邻两个所述人造微结构之间的间距为不大于所要响应的入射电磁波的波长的五分之一。
2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板为有机高分子基板或陶瓷基板。
3.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构为开口谐振环结构或开口谐振环衍生结构的磁性微结构。
4.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述埋容材料的介质层厚度为0.005-0.020mm。
5.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述埋容材料的介电常数为14-20。
6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述埋容材料的介电损耗为0.003-0.009。
7.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述半固化片的厚度为0.130-0.145mm。
8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述半固化片的介电常数为7-9。
9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述半固化片的介电损耗为0.0030-0.0050mm。
10.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述半固化片为FR-4等级的半固化片。
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